آینده رایانش پس از تراشههای سیلیکونی
ما در جهانی زندگی میکنیم که از مدارهای کامپیوتری نیرو میگیرد. زندگی مدرن به تراشهها و ترانزیستورهای نیمهرسانایی وابسته است که روی مدارهای مجتمع سیلیکونی پیاده شدهاند؛ مدارهایی که کارشان در اصل قطع و وصل کردن سیگنالهای الکترونیکی است.
در اکثر این تراشهها از عنصری به نام سیلیکون استفاده میشود که هم ارزان است و هم در طبیعت به وفور یافت میشود. ویژگی طلایی سیلیکون این است که هم میتواند جریان برق را وصل و هم قطع کند و این ناشی از قابلیت دوگانه نارسانایی و نیمهرسانایی آن است.
تا این اواخر، رویه چنین بود که اندازه ریزترانزیستورهای موجود در تراشههای سلیکونی هر سال به نصف کاهش مییافت. این همان رویهای بود که عصر دیجیتال جدید را بنیان نهاد، اما ظاهراً این دوران رو به اتمام است. با سربرآوردن فناوریهای نوینی همچون اینترنت اشیاء، هوش مصنوعی، روباتیک، خودرانها، و تلفنهای همراه نسل 5 و 6 که همگی نیازمند پردازشهای سنگین رایانهای هستند، آینده فناوری با پرسشهای زیادی مواجه است و نخستین سوال این است که آنچه در پی خواهدآمد چیست؟
قانون مور چیست؟
قدرت رایانش در آینده رشدی تصاعدی خواهدداشت. در سال 1965 میلادی، گوردون مور، از بنیانگذاران شرکت اینتل دریافت که شمار ترانزیستورهای موجود در هر اینچ مربع از سطح تراشههای کامپیوتری سالانه دوبرابر میشود در حالی که هزینه آنها به نصف کاهش مییابد. این بازه زمانی سالانه بعدها به 18 ماه افزایش یافت و ظاهراً باز هم در حال طولانیتر شدن است. آنچه از آن به قانون مور یاد میکنیم، در واقع قانون نیست بلکه پیشبینی و مشاهدات دانشمندی است که در صنعت تراشهسازی فعالیت میکرد و درستی این پیشبینی باعث شد تا آن را قانون مور بنامند. اما اینک که بازه زمانی 18 ماهه برای دوبرابر شدن ترانزیستورهای تراشه در حال طولانیتر شدن است، میتوان نتیجه گرفت که رایانش سنگین و کاربردهای آتی آن نیز با تهدید روبهرو است.
آیا قانون مور مرده است؟
نه، اما چنان کند شده است که سیلیکون به کمک نیاز دارد. استفان دوران، مدیرعامل شرکت «کامپاوند سمیکانداکتور اپلیکیشنز کاتاپولت» (Compound Semiconductor Applications Catapult) میگوید، کارآیی سیلیکون در بسیاری از حیطههایی که مستلزم سرعت فزاینده، وقفه اندک و تشخیص نور است، به حد نهایی خود نزدیک میشود.
با این حال او فکر میکند که هنوز زود است درباره جانشین سیلیکون صحبت شود. به گفته وی، سیلیکون کاملاً با ماده دیگری جایگزین خواهدشد اما نه به این زودیها. شاید هم هرگز این اتفاق نیفتد.
دیوید هارولد، نائب رئیس ارتباطات بازاریابی شرکت Imagination Technologies بر این باور است که افزایش کارایی به سیاق آنچه در قانون مور آمده است میتواند تا سال 2025 میلادی تداوم داشته باشد. به عقیده وی، سیلیکون تا دهه 2040 عنصر شماره یک بازار تراشهها باقی خواهدماند.
عصر دوم رایانش در راه است
توجه به ترانزیستورهای سیلیکونی موضوع مهمی است؛ وقتی میگوییم دوران رایانش سلیکونی به سر آمده است، از مرگ چنین مفهومی سخن نمیگوییم، بلکه منظورمان پایان دوران اوج آن است. کریگ هامپل، دانشمند ارشد بخش حافظه و واسطهای شرکت رمبوس میگوید، قانون مور بهطور خاص کارایی مدارهای مجتمع ساخته شده از نیمهرساناها را مدنظر دارد و تنها 50 سال گذشته رایانش را در بر میگیرد.
سابقه نیاز بشر به رایانش به دوران چرتکهها، ماشینحسابهای مکانیکی و لامپهای خلاء برمیگردد. این دوره تاریخی شاید تا آنجا پیش رود که چیزهایی فراتر از نیمهرسانا (و از جمله سیلیکون) را نیز در آینده دربرگیرد؛ ابررساناها و ماشینهای کوانتومی از آن جملهاند.
به نهایت رسیدن ظرفیت مدارهای سیلیکونی، یک مشکل است زیرا تجهیزات رایانشی آینده، هم به قدرت و هم چابکی بیشتری نیاز دارند.
هارولد میگوید، مشکل فزایندهای که رایانش با آن روبهرو است این است که سامانههای آینده باید اطلاعات جدید را فراگرفته و خود را با آن سازگار کنند. به گفته وی این سامانهها باید عملکردی شبیه مغز داشته باشند. این ویژگی در کنار تحول فناوری، عصر انقلابی دوم را در عرصه رایانش بنیان خواهدنهاد.
رایانش سرد چیست؟
برخی پژوهشگران برای ساخت کامپیوترهایی با کارایی بیشتر و مصرف برق کمتر به دنبال راههای جدیدی هستند. هامپل میگوید، «سردکاری» مراکز داده یا ابررایانهها کارایی را بهطرز چشمگیری افزایش و به همان نسبت مصرف برق و هزینههای ناشی از آن را کاهش میدهد.
نمونهای از این رویکرد، پروژه ناتیک مایکروسافت (Project Natick) است. طی این پروژه، بخشی از مرکز داده بزرگ مایکروسافت در ساحل جزایر اورکنی اسکاتلند در زیر آب کار میکند؛ هرچند این نیز تنها گامی کوچک در حوزه رایانش سرد به شمار میرود. پایین نگاه داشتن دما از نشت و هدررفت جریان برق جلوگیری کرده و ولتاژ آستانه را که ترانزیستورها بر اساس آن سوییچ میکنند، کاهش میدهد.
این به گفته هامپل، بخشی از موانع بسط قانون مور را کاهش میدهد. او میافزاید، دمای کار طبیعی برای این نوع سامانهها معادل دمای نیتروژن مایع در 77 درجه کلوین (منفی 27 درجه سانتیگراد) است. نیتروژن در اتمسفر زمین فراوانی زیادی دارد و استحصال آن بهصورت مایع نسبتاً کمهزینه است. و مهم آنکه ماده سردکننده موثری است. به همین جهت امید میرود با بهره گرفتن از همین ویژگی نیتروژن بتوان افزایش کارایی ترانزیستورها و کاهش مصرف برق آنها با اتکا به قانون مور را 4 تا 10 سال دیگر نیز ادامه داد.
نیمهرساناهای ترکیبی چیستند؟
نیمهرساناهای نسل بعد ترکیبی از دو یا چند عنصر و در مقایسه با سیلیکون سریعتر و کارآمدتر خواهندبود. این اتفاق بزرگی است؛ این مواد ترکیبی خاص همین حالا هم در بعضی حوزهها مورد استفاده قرار میگیرند و در آینده نیز به ساخت تلفنهای نسل 5 و 6 موبایل کمک خواهندکرد.
دوران میگوید، نیمهرساناهای مرکب حاصل ترکیب دو یا چند عنصر جدول تناوبی هستند. برای مثال، از ترکیب گالیوم و نیتروژن مادهای به نام نیترید گالیوم به دست میآید. او توضیح میدهد که این مواد از حیث سرعت، وقفه، تشخیص نور و تساعدات (emission) بر سیلیکون برتری دارند و همین خصوصیات به توسعه صنایعی همچون تلفنهای همراه نسل 5 و خودرانها کمک میکند.
گفتنی است که همین عناصر ترکیبی نیز در کنار تراشههای سیلیکونی فعلی به کار گرفته خواهندشد، اما نیمهرساناهای ساخته شده از مواد ترکیبی به تلفنهای نسل 5 و 6 راه خواهندیافت و بر سرعت آنها افزوده و از اندازهشان خواهندکاست؛ ضمن اینکه بر دوام باتری گوشیها نیز تاثیر مطلوبی خواهندگذاشت.
به عقیده دوران، سربرآوردن نیمهرساناهای ترکیبی قاعده بازی را عوض خواهدکرد. بعید نیست تاثیر این مواد بر دنیای ما همتراز تاثیری باشد که اینترنت در دنیای ارتباطات بر جای نهاد. این بدان جهت است که نیمهرساناهای ترکیبی میتوانند تا 100 برابر سریعتر از سیلیکون عمل کنند و پاسخگوی انبوهی از تجهیزاتی باشند که با گسترش اینترنت اشیاء پدیدار خواهندشد.
رایانش کوانتومی چیست؟
وقتی دنیای کوانتومی پدیدهای به نام برهمنهی و درهمتنیدگی دارد، دیگر به روشن و خاموش کردن ترانزیستورها در سامانههای کامپیوتری کلاسیک چه نیاز؟
آیبیام، گوگل، اینتل و دیگران بر سر ساخت کامپیوترهای قدرتمند کوانتومی با یکدیگر در رقابت هستند. کامپیوترهای کوانتومی بهجای بیتهای صفر/یکشونده در ترانزیستورهای سیلیکونی، از بیتهای کوانتومی بهره میبرند که اصطلاحاً به آنها کیوبیت (qubit) میگویند.
اما در اینجا مسئلهای وجود دارد و آن اینکه فیزیکدانان کوانتوم و معماران کامپیوتر پیش از پی بردن به توان بالقوه رایانش کوانتومی باید موارد مهم زیادی را مشخص کنند. یکی از آنها آزمون سادهای است که جامعه رایانش کوانتومی معتقد است یک کامپیوتر کوانتومی پیش از اعلام موجودیت خود باید آن را پشت سر بگذارد و آن چیزی نیست جز برتری کوانتوم یا quantum supremacy؛ به این معنا که باید نشان داد ماشین کوانتومی در مقایسه با پردازندههای نیمهرسانای عادی که در مسیر قانون مور قدم برمیدارند، عملکرد بهتری دارد. نکته مهم این است که ماشینهای کوانتومی تاکنون نتوانستهاند این موضوع را ثابت کنند.
اینتل چه میکند؟
اینتل برای پژوهش در حوزه رایانش کوانتومی مبتنی بر سیلیکون سرمایهگذاری سنگینی صورت داده است. تعجبی هم ندارد چون اینتل پیشتاز ساخت ترانزیستورهای سیلیکونی است.
آدریان کریدل، نائب رئیس گروه فروش و بازاریابی و نیز مدیر کل شعبه انگلیسی اینتل میگوید، شرکت متبوع او در کنار سرمایهگذاری برای توسعه کیوبیتهای ابررسانا (superconducting qubits) که ذخیرهسازیشان مستلزم دمای بسیار کمی است، به روشی جایگزین نیز میاندیشد. به گفته وی، این معماری جایگزین، مبتنی بر کیوبیتهای اسپینی (spin qubits) است که درون سیلیکون کار میکنند.
یک «کیوبیت اسپینی» برای کنترل اسپین یا تکانه زاویهای الکترون روی قطعه سیلیکونی از پالسهای میکروویو بهره میگیرد. اینتل اخیراً در دستاورد جدید خود یعنی کوچکترین تراشه کوانتومی جهان از همین فناوری بهره برد که حاصل استفاده از سیلیکون و روشهای رایج ساخت و تولید تجاری است.
کریدل توضیح میدهد که کیوبیتهای اسپینی میتوانند بر برخی چالشهای ناشی از روش ابررسانش غلبه کنند زیرا اندازه فیزیکی آنها کوچکتر است و همین ویژگی، تغییر اندازه آنها را تسهیل میکند و در دماهای بالاتر نیز میتوانند کار کنند. ضمناً طرح پردازندههای مبتنی بر کیوبیتهای اسپینی شبیه فناوری ترانزیسوترهای سلیلیکونی فعلی است.
با این حال، سامانه کیوبیت اسپینی اینتل هنوز فقط در دمای نزدیک به صفر درجه میتواند کار کند. رایانش سرد همگام با توسعه کامپیوترهای کوانتومی پیش خواهدرفت. در حال حاضر، آیبیام نیز پردازنده 50 کیوبیتی خود موسوم به Q را دارد و گوگل نیز در آزمایشگاه هوش مصنوعی کوانتومی خود پردازنده 72 کیوبیتی بریستلکون را ساخته است.
گرافین و نانوتیوبهای کربنی چطور؟
این دو ماده که گاهی آنها را مواد معجزهانگیز مینامند روزی میتوانند جایگزین سیلیکون شوند. دوران میگوید، آنها ویژگیهای الکتریکی، مکانیکی و دمایی خاصی دارند که کمک میکند قابلیتهایی فراتر از قطعات سیلیکونی داشته باشند. اما وی هشدار میدهد که ممکن است سالهای زیادی زمان ببرد تا برای استفاده آماده شوند.
دوران میگوید، قطعات سیلیکونی چندین دهه بهسازی را پشت سر گذاشتهاند و همگام با فناوری ساخت و تولید توسعه یافتهاند. گرافین و نانوتیوبهای کربنی هنوز در آغاز راه خود هستند و اگر قرار است در آینده جایگزین سیلیکون شوند، ابزارهای ساخت و تولید باید برای نیل به این هدف بیش از اینها توسعه پیدا کنند.
عصر اتمی
چشمانداز مواد دیگر هرچه باشد، ما اینک در عصر اتمی زندگی میکنیم. هارولد میگوید، همه به اتمها میاندیشند. پیشرفت ما اینک به نقطهای رسیده است که تکاتمها در آن نقش دارند، تا جایی که دانشمندان نیز به دنبال روشهایی برای ذخیرهسازی دادهها در سطح اتم هستند. آیبیام از روشی سخن میگوید که با استفاده از آن میتوان دادهها را روی یک اتم ذخیره کرد. در حال حاضر برای ایجاد هر یک از صفرها یا یکهای باینری دیجیتال (که از آنها برای ذخیرهسازی دادهها استفاده میشود)، به 100 هزار اتم نیاز داریم.
اما، مشکلی وجود دارد. هارولد میگوید، وقتی از ذخیره یا انتقال اطلاعات سخن میگوییم، اتمها ذاتاً ناپایدارتر هستند و این بدان معنا است که برای تصحیح خطا به منطق بیشتری نیاز داریم. پس سیستمهای کامپیوتری آینده شاید لایههایی از فناوریهای مختلف باشند که در آن، هر لایه ضعف لایه دیگر را میپوشاند.
پس، برای تعمیم سیلیکون و بسط آن به دوره بعدی رایانش پاسخ منفردی وجود ندارد. نیمهرساناهای ترکیبی، رایانش کوانتومی و رایانش سرد همگی ممکن است در حوزه تحقیق و توسعه نقش عمدهای ایفا کنند. ممکن است آینده رایانش سلسلهمراتبی از ماشینها باشد، اما فعلاً کسی نمیداند کامپیوترهای فردا چه شکل و هیبتی خواهندداشت.
بهگفته هامپل، اعتبار قانون مور به پایان خواهدرسید اما رسم دیرین افزایش قدرت رایانش، نه.
داغترینها
اخبار مشابه
دیدگاهها (4 نظر)
ali.hosseini
متشکرم
مصطفی
ali.hosseini
متشکر
نوید
مرسی